塔式光熱電站調溫泵應用與探討

全明福 王曉兵

摘 要：通過對國內塔式光熱運營電站調溫泵、疏鹽泵設計工藝應用的對比，從塔式光熱電站工藝、成本方面及后期維護成本進行分析，提出在光熱電站中疏鹽泵可以代替調溫泵。

關鍵詞：塔式太陽能發電技術;調溫泵;疏鹽泵;新能源

【中圖分類號】TM615 【文獻標志碼】A

太陽能熱發電技術是大規模開發利用太陽能的一個重要技術途徑，目前國內光熱電站50MW以上并投產運營的有7家，其中塔式運營的是5家。其中只有一家企業未采用調溫泵，其功能由疏鹽泵來代替。調溫泵是儲熱系統關鍵設備之一，其作用主要是在冷態啟動時逐漸提升進入蒸汽發生器的熔鹽溫度;在汽輪機停運時期，輸送小流量的低溫熔鹽（約290℃）至蒸汽發生器，防止系統中局部熔鹽溫度繼續降低，并產生輔助蒸汽。

1塔式光熱發電技術概述

塔式光熱發電系統主要由以下三部分組成：由若干個定日鏡和位于塔頂的吸熱器構成的聚光集熱系統;熔鹽罐（冷/熱）、冷鹽泵、熱鹽泵、調溫泵和蒸汽發生器組成的儲換熱系統;汽輪發電機組及其輔助設備組成的發電系統，與火力發電廠的汽輪機發電原理一樣，通過飽和蒸汽推動汽輪機作為原動力，帶動汽輪機發電。

定日鏡場實現對太陽的實時跟蹤，將太陽光反射到吸熱器表面。冷鹽罐中的傳熱流體通過冷鹽泵輸送至位于高塔上的吸熱器，吸收由定日鏡反射來的熱量，升溫至約565℃。高溫熔鹽通過管道輸送至熱鹽罐，再通過熱鹽泵輸送至蒸汽發生器加熱給水，產生約540℃的超高壓過熱蒸汽，推動汽輪發電機組發電。蒸汽發生系統配置再熱器，匹配汽輪機以提高機組循環效率;由于光熱機組大多布置缺水的西北地區，因此配置空冷式凝結器和機力式輔機冷卻塔，還可節約大量水資源。

2 塔式光熱發電技術發展趨勢

光熱發電技術是大規模開發利用太陽能的一種重要技術途徑，光熱發電技術通過白天蓄熱發電，在光伏、風力發電低谷期，以儲熱發電作為重要補充，來調節電力輸出平衡，有效改善風電和光伏不穩定，彌補系統運行不靈活性，提升整體電網穩定性，將對我國光熱技術推廣應用起到積極作用。雖然我國塔式光熱發電技術已經成功應用，但在技術的改良與推廣上也有很多問題。因此，研究塔式光熱發電的關鍵技術及應用，推進節能減排和實現能源可持續發展具有重要的意義。

對于目前塔式光熱電站而言，優化發電系統集成，改善傳熱介質，采用大規模儲熱，提高系統規模等，是提高發電系統效率、節約成本的途徑之一，也是未來的發展方向。

在隨著儲熱技術的成熟、成本下降等原因，光熱可與天然氣、風電、生物質等多種能源聯合發電，也將成為一種廣泛應用的發電方式。

3儲熱系統及技術分析

3.1 儲熱系統作用

光熱電站的儲熱系統是為了應對太陽能資源的不穩定、不連續以及受環境影響大的缺陷而設計的，儲熱系統由冷鹽儲存系統和熱鹽儲存系統組成，配備儲熱系統的塔式光熱發電更加穩定，可應對電網的日常供電。儲熱系統實現聚光集熱系統和發電系統的解耦運行，并能在暫態天氣變化時，緩沖DNI變化對汽輪機進汽流量計參數的影響;提高電網調度需求的適應能力或錯峰運行能力。

儲熱系統用于存儲熔鹽，主要設備包括：冷鹽罐、熱鹽罐、冷鹽泵、熱鹽泵、調溫泵等。其中冷鹽泵、調溫泵位于冷鹽罐中，將低溫熔鹽打入吸熱器，吸收太陽能溫度升高后，返回熱鹽罐。熱鹽泵位于熱罐中，將高溫熔鹽泵入蒸汽發生系統與水/蒸汽換熱產生過熱蒸汽。

3.2儲熱介質需求計算

塔式光熱電站發電的儲熱容量通常以儲熱時間為多少小時來描述。如果設計的儲熱運行時間為t小時，機組的額定熱耗為Q0（kJ/h），則系統運行t小時需要的總熱量為Qth，tes=Q0t（kJ）。如果將液相比熱和溫度的關系在熔鹽工作溫度范圍內近似看作線性，那么單位質量熔鹽溫升ΔT吸收的熱量為q=CpΔT。

若儲存Qth，tes的熱量，需要的熔鹽有效質量為：

式中：

M—所需熔鹽介質質量，單位：kg

mnet—儲熱用熔鹽凈質量，單位：kg

Q0—機組的額定熱耗率，單位：kJ/h

t—儲熱設計時間，單位：h

CP—ΔT溫度范圍內的平均定壓比熱容，單位：J/（kg·K）

ΔT—熔鹽的工作溫度范圍，即熱鹽設計溫度和冷鹽設計溫度差值，單位：℃

Qth，tes—系統運行t小時需要的總熱量，單位：kJ

K—考慮管道容積儲罐底部死區等的裕量系數。（在項目前期估算時K可取1.03左右，實際工程中，最終采購的熔鹽量基于統計的各個設備及管道的容積計算，K值可取1）

3.3儲熱系統調溫泵

在塔式光熱電站中的熔鹽泵分為冷鹽泵、熱鹽泵及調溫泵。熔鹽泵一般為立式液下泵，布置在儲罐上部的泵支撐平臺上。其配置的基本原則為保證電站安全、經濟運行。

調溫泵選型時需考慮啟動階段逐漸提升進入蒸汽發生器的熔鹽溫度，且在汽輪機停運階段，輸送小流量的低溫熔鹽（約290℃）至蒸汽發生器，以防止系統中局部熔鹽溫度繼續降低，且產生廠用輔汽。若系統中其他泵或設備可實現此功能，也可不單獨設置調溫泵。

4疏鹽泵替代調溫泵的成本優勢

在光熱發電企業中，按目前運營電站設計都設有調溫泵，由于儲熱能力及儲熱時間，調溫泵是長軸立式液下泵。

4.1從成本分析

根據運營光熱企業調溫泵選型來看，目前調溫泵大多采用的是福斯的長軸泵，2臺泵價格約36萬，其備品備件的準備周期約6個月;而疏鹽泵均采用的是江蘇飛躍國產泵，2臺泵價格約45萬，其備品備件的準備周期不需要6個月。若用疏鹽泵代替調溫泵可直接減少一筆調溫泵設備費用。

4.2從工藝系統分析

若采用調溫泵，還需設計緊急疏鹽罐及其附屬管道，其蒸汽發生系統發生泄漏時，根據系統設計排入緊急疏鹽罐，而緊急疏鹽罐只有進口，沒有出口，故還需用人工將緊急疏鹽罐的鹽清理至熱鹽罐中;若用疏鹽泵代替調溫泵，疏鹽泵其本身設計在疏鹽罐中，此疏鹽罐相當于正常和緊急疏鹽罐的綜合體，疏鹽泵既可以進行正常疏鹽，也可進行緊急事故下的疏鹽，在系統設計中疏鹽罐的鹽還可輸送至熱鹽罐中，還能實現調溫泵的功能。

4.3從后期運行維護分析

按目前的所設計的工藝系統來看，調溫泵基本布置在冷鹽泵平臺上，若需調溫泵有卡澀等原因需要進行拆解查找原因時，需要用160噸的汽車吊、、50噸汽車吊、20噸板車進行配合;相比疏鹽泵的拆解，維護簡單、成本低且方便。

5結論

塔式太陽能熱發電技術是一種新型太陽能利用技術，目前相對成本較高，根據國內運營塔式光熱企業的工藝及運行情況對比，疏鹽泵完全可以代替調溫泵。根據成本、工藝系統及后期維護進行分析，用疏鹽泵代替調溫泵是可行且成本較低的工藝。只有在不斷摸索工藝、優化塔式發電技術，才能不斷降低光熱成本。

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